氧化鋅/氧化鉭雙介質層憶阻器的突觸特性分析
發(fā)布時間：2021-02-04 14:58
針對TaOx單介質層憶阻器在高低阻態(tài)突變切換和高運行功耗對突觸可塑性模擬方面的不足,提出將氧化鋅介質層引入Ti/TaOx/ITO憶阻器中的方案,擬改善其突觸性能.研究發(fā)現(xiàn),器件Ti/ZnO/TaOx/ITO在功耗和電導調制線性度方面皆有改善,并有著電阻漸變的行為,利于器件突觸功能的實現(xiàn)及應用.為此對Ti/ZnO/TaOx/ITO雙介質層器件進行電壓脈沖訓練,并成功模擬學習飽和、經驗學習,以及短時程記憶向長時程記憶轉變等生物突觸行為.
【文章來源】：福州大學學報(自然科學版). 2020,48(05)北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
器件的電流-電壓曲線及器件結構示意
圖1(a)～(b)分別為器件S1(單阻變介質層器件, 以下簡稱單層器件)和器件S2(雙阻變介質層器件, 以下簡稱雙層器件)的器件結構圖及典型的I-U曲線圖, 其中圖1(b)為雙層器件S2循環(huán)100次的I-U曲線圖. 通過對比可知, 盡管兩者的Set和Reset極性相反, 但兩者都表現(xiàn)出雙極性阻變行為. 與S1單層器件相比, S2雙層器件的功耗有所下降(S1器件的Set和Reset功率大約為1和20 mW, 而S2對應的Set和Reset功率只有100和10 nW左右), 并且反復擦寫更加穩(wěn)定. S1單層器件在Set和Reset過程中, 表現(xiàn)出突變的電阻切換, 相比之下, S2雙層器件表現(xiàn)出更連續(xù)的電阻切換行為. 逐漸變化的電阻調制行為與生物突觸權重(神經元間的連接強度)的變化行為比較接近[1]. 因此, S2器件更適合用來模擬生物突觸的可塑性.具有電導線性調制能力的憶阻器可用于模式識別并有助于提高模式識別的精度[18-19]. 為此, 分別對器件S1和S2的電導調制線性度進行測量. 在器件上電極施加20個相同的電壓訓練脈沖, 脈沖的幅度/脈寬為+3 V/10 ms, 脈沖之間間隔為100 ms, 每個刺激脈沖后附帶一個幅度為+0.3 V的讀脈沖來讀取器件的電導值; 正向脈沖施加完畢后, 立即在上電極上施加20個-3 V/10 ms的負向電壓脈沖, 脈沖間隔為100 ms. 重復以上操作, 在器件S1和器件S2上分別測得電導隨脈沖變化的三組數(shù)據, 如圖2(a)～(b)所示, 圖2(c)為電壓脈沖示意圖. 可以看出圖2(b)相對于圖2(a)的電導調制線性度有一定的提高, 特別是施加正脈沖序列時(電導上升), 隨著脈沖的不斷施加, S2器件的電導變化近似呈一條直線, 而S1器件的電導會逐漸趨于飽和. 在基于氧化物的憶阻器中, 氧空位和氧離子的遷移和積累引起介質層的電阻變化是一種被廣泛接受的阻變機制. 在器件S1中, 當在上電極上施加正偏壓時, 器件內會產生氧離子和氧空位. 氧空位會向底電極遷移, 并在底電極發(fā)生積累, 逐漸形成導電通道; 氧離子會向上電極(Ti)遷移, 氧離子會逐漸與鈦電極發(fā)生反應, 形成氧化鈦層. 而文獻[20]認為電極氧化層的形成會引起電導飽和效應的產生, 其主要原因為當氧化層逐漸增厚, 不僅會阻礙氧離子與鈦電極進一步反應, 還會分走介質層上的部分電壓, 導致氧離子和氧空位的遷移速度逐漸變慢, 最終使器件產生電導飽和效應. 而S2器件中引入了氧化鋅層, 在制備過程中, 由于ZnO和TaOx的吉布斯自由能不同(ΔGf, ZnO=-318.2 kJ·mol-1; ΔGf, TaOx=-1 904 kJ·mol-1), ZnO的吉布斯自由能更高, ZnO中的氧離子會進入TaOx介質層中, 所以ZnO層的氧空位濃度較高, 當在正電極上施加正偏壓時, 氧離子要先從TaOx層進入氧化鋅層, 然后再遷移到鈦電極附近進行反應, 氧化鋅層會捕獲一部分的氧離子, 阻礙電極氧化層(TiOx)的形成, 使氧空位和氧離子得以以較為均勻的速度進行遷移, 從而緩解電導飽和效應, 提升電導調制線性度. 所以, 相較S1單介質層器件, 加入ZnO層的S2器件, 在電導調制線性度方面有所改善.
綜上所述, S2器件有著更低的功耗、 更連續(xù)的電阻變化和更好的電導線性調制能力, 這表明S2器件具備作為電子突觸應用的可能[2]. 因此, 對S2器件的突觸性能進行了一系列的研究. 生物中的突觸的連接強度會隨著前后神經元的活動而發(fā)生改變, 與刺激信號的時序、 頻率以及強度等相關. 為了進一步分析電子突觸的學習行為, 分別研究了電壓脈沖的幅值大小、 脈寬和間隔對器件電導調制的影響. 根據控制變量法, 分別改變訓練脈沖的幅值(2、 4和5 V)、 脈寬(5、 50和100 ms)和脈沖間隔(60、 200 和400 ms), 測得器件電導隨脈沖的變化趨勢圖, 分別如圖3(a)～(c)所示(訓練脈沖示意圖如圖3(d)所示).圖3 訓練脈沖參數(shù)對突觸飽和效應的影響
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于憶阻器模擬的突觸可塑性的研究進展[J]. 張晨曦,陳艷,儀明東,朱穎,李騰飛,劉露濤,王來源,解令海,黃維. 中國科學:信息科學. 2018(02)
[2]Synaptic electronics and neuromorphic computing[J]. Navnidhi K.UPADHYAY,Saumil JOSHI,J.Joshua YANG. Science China（Information Sciences）. 2016(06)
本文編號：3018500
【文章來源】：福州大學學報(自然科學版). 2020,48(05)北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
器件的電流-電壓曲線及器件結構示意
圖1(a)～(b)分別為器件S1(單阻變介質層器件, 以下簡稱單層器件)和器件S2(雙阻變介質層器件, 以下簡稱雙層器件)的器件結構圖及典型的I-U曲線圖, 其中圖1(b)為雙層器件S2循環(huán)100次的I-U曲線圖. 通過對比可知, 盡管兩者的Set和Reset極性相反, 但兩者都表現(xiàn)出雙極性阻變行為. 與S1單層器件相比, S2雙層器件的功耗有所下降(S1器件的Set和Reset功率大約為1和20 mW, 而S2對應的Set和Reset功率只有100和10 nW左右), 并且反復擦寫更加穩(wěn)定. S1單層器件在Set和Reset過程中, 表現(xiàn)出突變的電阻切換, 相比之下, S2雙層器件表現(xiàn)出更連續(xù)的電阻切換行為. 逐漸變化的電阻調制行為與生物突觸權重(神經元間的連接強度)的變化行為比較接近[1]. 因此, S2器件更適合用來模擬生物突觸的可塑性.具有電導線性調制能力的憶阻器可用于模式識別并有助于提高模式識別的精度[18-19]. 為此, 分別對器件S1和S2的電導調制線性度進行測量. 在器件上電極施加20個相同的電壓訓練脈沖, 脈沖的幅度/脈寬為+3 V/10 ms, 脈沖之間間隔為100 ms, 每個刺激脈沖后附帶一個幅度為+0.3 V的讀脈沖來讀取器件的電導值; 正向脈沖施加完畢后, 立即在上電極上施加20個-3 V/10 ms的負向電壓脈沖, 脈沖間隔為100 ms. 重復以上操作, 在器件S1和器件S2上分別測得電導隨脈沖變化的三組數(shù)據, 如圖2(a)～(b)所示, 圖2(c)為電壓脈沖示意圖. 可以看出圖2(b)相對于圖2(a)的電導調制線性度有一定的提高, 特別是施加正脈沖序列時(電導上升), 隨著脈沖的不斷施加, S2器件的電導變化近似呈一條直線, 而S1器件的電導會逐漸趨于飽和. 在基于氧化物的憶阻器中, 氧空位和氧離子的遷移和積累引起介質層的電阻變化是一種被廣泛接受的阻變機制. 在器件S1中, 當在上電極上施加正偏壓時, 器件內會產生氧離子和氧空位. 氧空位會向底電極遷移, 并在底電極發(fā)生積累, 逐漸形成導電通道; 氧離子會向上電極(Ti)遷移, 氧離子會逐漸與鈦電極發(fā)生反應, 形成氧化鈦層. 而文獻[20]認為電極氧化層的形成會引起電導飽和效應的產生, 其主要原因為當氧化層逐漸增厚, 不僅會阻礙氧離子與鈦電極進一步反應, 還會分走介質層上的部分電壓, 導致氧離子和氧空位的遷移速度逐漸變慢, 最終使器件產生電導飽和效應. 而S2器件中引入了氧化鋅層, 在制備過程中, 由于ZnO和TaOx的吉布斯自由能不同(ΔGf, ZnO=-318.2 kJ·mol-1; ΔGf, TaOx=-1 904 kJ·mol-1), ZnO的吉布斯自由能更高, ZnO中的氧離子會進入TaOx介質層中, 所以ZnO層的氧空位濃度較高, 當在正電極上施加正偏壓時, 氧離子要先從TaOx層進入氧化鋅層, 然后再遷移到鈦電極附近進行反應, 氧化鋅層會捕獲一部分的氧離子, 阻礙電極氧化層(TiOx)的形成, 使氧空位和氧離子得以以較為均勻的速度進行遷移, 從而緩解電導飽和效應, 提升電導調制線性度. 所以, 相較S1單介質層器件, 加入ZnO層的S2器件, 在電導調制線性度方面有所改善.
綜上所述, S2器件有著更低的功耗、 更連續(xù)的電阻變化和更好的電導線性調制能力, 這表明S2器件具備作為電子突觸應用的可能[2]. 因此, 對S2器件的突觸性能進行了一系列的研究. 生物中的突觸的連接強度會隨著前后神經元的活動而發(fā)生改變, 與刺激信號的時序、 頻率以及強度等相關. 為了進一步分析電子突觸的學習行為, 分別研究了電壓脈沖的幅值大小、 脈寬和間隔對器件電導調制的影響. 根據控制變量法, 分別改變訓練脈沖的幅值(2、 4和5 V)、 脈寬(5、 50和100 ms)和脈沖間隔(60、 200 和400 ms), 測得器件電導隨脈沖的變化趨勢圖, 分別如圖3(a)～(c)所示(訓練脈沖示意圖如圖3(d)所示).圖3 訓練脈沖參數(shù)對突觸飽和效應的影響
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于憶阻器模擬的突觸可塑性的研究進展[J]. 張晨曦,陳艷,儀明東,朱穎,李騰飛,劉露濤,王來源,解令海,黃維. 中國科學:信息科學. 2018(02)
[2]Synaptic electronics and neuromorphic computing[J]. Navnidhi K.UPADHYAY,Saumil JOSHI,J.Joshua YANG. Science China（Information Sciences）. 2016(06)
本文編號：3018500
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